JP6415233B2 - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物および半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、グリコールウリル化合物を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物および、これを用いた半導体装置に関する。

近年、携帯電話やノートパソコンなど電気・電子製品の小型化、軽量化に伴い、高性能半導体パッケージとして、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）と呼ばれる金属ワイヤーにより、半導体素子と基板とを接続する手法が広く普及している。ＢＧＡは高密度実装が可能で、電子部品の小型化、高集積化に大きく貢献するものの、片面のみが樹脂封止された非対称な構造であるため、成形後にパッケージの反りが発生しやすい。パッケージの反りは、後工程の実装工程などで問題となるため、反りの発生を抑える必要がある。

パッケージの反りの主な原因は、封止材料である樹脂組成物の硬化物（樹脂硬化物）と基板との膨張・収縮挙動の違いによるものである。通常、樹脂硬化物は基板と比べて収縮量が大きくなる傾向がある。樹脂硬化物の収縮量を小さくするために、樹脂硬化物の線膨張係数を小さくする、ガラス転移温度（Ｔｇ）を高めるなどの対策が必要となる。一般的には、シリカなどの無機質充填剤を、樹脂組成物中に高い比率で充填して、線膨張係数を小さくさせることにより、高温時の変形やクラックなどを抑制できることが知られている。

また、特許文献１には、パッケージの反りの発生を抑制する封止材料として、グリシジル基を分子内に４つ有する化合物、硬化剤および無機質充填剤を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物が提案されている。

特開２００９−１９１１４号公報

本発明は、パッケージの反りの発生を抑制可能な硬化物が得られる半導体封止用エポキシ樹脂組成物および、それを用いた半導体装置を提供することを目的とする。

本発明者は、前記の課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、エポキシ化合物としてグリコールウリル化合物を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物とすることにより、所期の目的を達成することを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
即ち、第１の発明は、化学式（Ｉ）で示されるグリコールウリル化合物、硬化剤および無機質充填剤を含有することを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物である。

（式中、Ｒ^１およびＲ^２は、同一または異なって、水素原子、低級アルキル基またはフェニル基を表し、Ｒ^３、Ｒ^４およびＲ^５は、同一または異なって、水素原子またはグリシジル基を表す。但し、Ｒ ^３ 、Ｒ ^４ およびＲ ^５ が同時に水素原子である場合を除く。）

第２の発明は、化学式（Ｉ）で示されるグリコールウリル化合物を除くエポキシ化合物またはエポキシ樹脂を含有することを特徴とする第１の発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物である。
第３の発明は、ボールグリッドアレイ用封止材料であることを特徴とする第１の発明または第２の発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物である。
第４の発明は、第１の発明または第２の発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて、半導体素子を封止したことを特徴とする半導体装置である。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物によれば、パッケージの反りの発生を抑制可能な硬化物が得られる。また、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて、半導体素子を封止した半導体装置は、反りの発生が抑制されて高い信頼性を有する。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物（以下、単に「樹脂組成物」と云うことがある）は、グリコールウリル化合物、硬化剤および無機質充填剤を含有する。

本発明の実施において使用するグリコールウリル化合物は、前記の化学式（Ｉ）で示されるエポキシ化合物であり、例えば、
１，３−ジグリシジルグリコールウリル、
１，４−ジグリシジルグリコールウリル、
１，６−ジグリシジルグリコールウリル、
１，３，４−トリグリシジルグリコールウリル、
１，３，４，６−テトラグリシジルグリコールウリル、
１，３−ジグリシジル−３ａ−メチルグリコールウリル、
１，４−ジグリシジル−３ａ−メチルグリコールウリル、
１，６−ジグリシジル−３ａ−メチルグリコールウリル、
１，３，４−トリグリシジル−３ａ−メチルグリコールウリル、
１，３，４，６−テトラグリシジル−３ａ−メチルグリコールウリル、
１，３−ジグリシジル−３ａ，６ａ−ジメチルグリコールウリル、
１，４−ジグリシジル−３ａ，６ａ−ジメチルグリコールウリル、
１，６−ジグリシジル−３ａ，６ａ−ジメチルグリコールウリル、
１，３，４−トリグリシジル−３ａ，６ａ−ジメチルグリコールウリル、
１，３，４，６−テトラグリシジル−３ａ，６ａ−ジメチルグリコールウリル、
１，３−ジグリシジル−３ａ，６ａ−ジフェニルグリコールウリル、
１，４−ジグリシジル−３ａ，６ａ−ジフェニルグリコールウリル、
１，６−ジグリシジル−３ａ，６ａ−ジフェニルグリコールウリル、
１，３，４−トリグリシジル−３ａ，６ａ−ジフェニルグリコールウリル、
１，３，４，６−テトラグリシジル−３ａ，６ａ−ジフェニルグリコールウリルなどが挙げられる。これらのグリコールウリル化合物は、単独または２種以上を組み合わせて使用してもよい。

本発明の実施において使用する硬化剤としては、エポキシ化合物またはエポキシ樹脂を硬化させるものであれば、特に限定されるものではないが、フェノール樹脂が好ましい。前記のフェノール樹脂としては、フェノールノボラック型樹脂、クレゾールノボラック型樹脂、ジシクロペンタジエン型フェノール樹脂、フェノールアラルキル樹脂などが挙げられる。これらのフェノール樹脂は、単独または２種以上を組み合わせて使用してもよい。

硬化剤の含有量は、樹脂組成物中のエポキシ樹脂成分を硬化させるのに十分な量に設定することが好ましい。硬化剤としてフェノール樹脂を用いる場合、フェノール樹脂の含有量は、樹脂組成物中のエポキシ基の数量に対するフェノール樹脂中の水酸基の数量の割合（等量比）に換算して、０．１〜５．０であることが好ましい。

本発明の実施において使用する無機質充填剤としては、シリカ粉末（溶融シリカ粉末や結晶性シリカ粉末など）、石英ガラス粉末、アルミナ粉末、窒化アルミニウム粉末、タルク、窒化ケイ素粉末などが挙げられる。これらの中でも、得られる硬化物の線膨張係数を小さくできることからシリカ粉末が好ましく、その中でも、高充填性、高流動性という点から溶融シリカ粉末がより好ましい。これらの無機質充填剤は、単独または２種以上を組み合わせて使用してもよい。

無機質充填剤の含有量は、樹脂組成物全体の重量に対して、５〜９５重量％であることが好ましい。

本発明の実施において使用するグリコールウリル化合物を除くエポキシ化合物またはエポキシ樹脂、即ち、グリコールウリル化合物以外のエポキシ化合物（エポキシ樹脂）としては、ビスフェノール型、クレゾールノボラック型、フェノールノボラック型、ビフェニル型、ジシクロペンタジエン型、トリスヒドロキシフェニルメタン型などのエポキシ樹脂が挙げられる。特に、汎用性の高い二官能エポキシ樹脂またはノボラック型エポキシ樹脂や、耐熱性向上を目的とする多官能型エポキシ樹脂などが好ましい。これらは、単独または２種以上を組み合わせて使用してもよい。

本発明の実施においては、ガラス転移温度を高めるために、前記のグリコールウリル化合物を単独で使用することが好ましいが、グリコールウリル化合物を除くエポキシ化合物またはエポキシ樹脂を併用する場合には、グリコールウリル化合物を樹脂組成物全体の重量に対して、０．１重量％以上含有させることが好ましい。

本発明の樹脂組成物は、必要に応じて硬化促進剤、離型剤、シランカップリング剤、低応力化剤、難燃剤、カーボンブラック、顔料などの添加剤を、本発明の効果を損なわない範囲において適宜含有することができる。

前記の硬化促進剤としては、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレートやトリフェニルホスフィンなどの有機リン系化合物、フェニルイミダゾールなどのイミダゾール系化合物、１，８−ジアザビシクロ［５．４．０］ウンデセン−７、１，５−ジアザビシクロ［４．３．０］ノネン−５などのジアザビシクロアルケン系化合物などが挙げられる。これらは、単独または２種以上を組み合わせて使用してもよい。

硬化促進剤の含有量は、樹脂組成物全体の重量に対して、０．０１〜１０重量％であることが好ましい。

前記の離型剤としては、カルナバワックス、ポリエチレン系ワックス、高級脂肪酸、高級脂肪酸エステル、高級脂肪酸カルシウムなどが挙げられる。これらは、単独または２種以上を組み合わせて使用してもよい。

前記の低応力化剤としては、アクリル酸メチル−ブタジエン−スチレン共重合体、メタクリル酸メチル−ブタジエン−スチレン共重合体などのブタジエン系ゴムや、シリコーン化合物などが挙げられる。

前記の難燃剤としては、酸化アンチモン、有機リン化合物、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウムなどが挙げられる。

さらに、本発明の樹脂組成物は、耐湿信頼性向上を目的として、水酸化ビスマス、ハイドロタルサイト類などのイオントラップ剤を含有してもよい。

本発明の樹脂組成物は、前述の原料をミキシングロール機などの混練機を用いて加熱状態で溶融混錬した後、これを室温下で冷却固化させ、公知の手段により粉砕し、必要に応じて打錠することにより調製される。

本発明の樹脂組成物を用いた半導体素子の封止は、通常のトランスファー成形などの公知のモールド方法により行うことができる。このようにして得られる半導体装置としては、ＢＧＡのような片面封止型半導体装置やフリップチップ型半導体装置、ＩＣ、ＬＳＩ、パワーデバイスと称するトランジスタ、ダイオードなどが挙げられる。

本発明の半導体装置は、グリコールウリル化合物を含有した樹脂組成物を半導体素子の封止に用いることにより、硬化物のガラス転移温度が高くなり、パッケージの反りの発生を抑制することができる。

以下、本発明を実施例および比較例によって具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
なお、実施例および比較例において使用したエポキシ化合物またはエポキシ樹脂と、硬化剤は、以下のとおりである。

（１）エポキシ化合物またはエポキシ樹脂
・１，３，４，６−テトラグリシジルグリコールウリル（四国化成工業社製「ＴＧ−Ｇ」、以下、「エポキシ樹脂Ａ」と云う）
・下記の化学式（ＩＩ）で示されるビフェニル型エポキシ樹脂（以下、「エポキシ樹脂Ｂ」と云う）

・下記の化学式（ＩＩＩ）で示されるエポキシ樹脂（以下、「エポキシ樹脂Ｃ」と云う）

（式中、ｎは３または４の整数を表す。）

（２）硬化剤
・下記の化学式（ＩＶ）で示されるフェノール樹脂

（式中、ｎは３または４の整数を表す。）

＜樹脂組成物の調製＞
前記のエポキシ樹脂Ａ〜Ｃを表１に示す割合で使用し、硬化剤１８０重量部、硬化促進剤として、トリフェニルホスフィン３重量部、離型剤として、酸化ポリエチレンワックス７重量部、シランカップリング剤として、３−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン５重量部、無機質充填剤として、球状溶融シリカ粉末（平均粒径１３．２μｍ）２０００重量部、カーボンブラック（三菱化学社製 ＃３０３０Ｂ）１５重量部、難燃剤としてＳｂ_２Ｏ_３３．３重量部使用した樹脂組成物を、８０〜１７０℃に加熱したロール混練機を用いて溶融混練した。続いて、冷却した後、粉砕し、さらにタブレット状に打錠することにより実施例１〜３、比較例１〜２の樹脂組成物を調整した。

［ガラス転移温度（Ｔｇ）］
前記の樹脂組成物について、粘弾性測定装置（レオメトリック社製 固体粘弾性測定装置「ＲＳＡII」、二重カレンチレバー法；周波数１Ｈｚ、昇温速度３℃／分）を用いて、ガラス転移温度を測定した。得られた結果を表１に示した。

［反り量］
シリコンチップ（サイズ１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ０．３２５ｍｍ）をガラスエポキシ基板上に等間隔となるように、銀（Ａｇ）ペーストを使用して実装し、プレス機（ＴＯＷＡ社製）にて前記の樹脂組成物を用いて封止した。プレス機の金型温度は１７５℃とし、封止条件は、トランスファースピード１．５ｍｍ／秒、クランプ圧１９６０Ｎ、トランスファー圧４９Ｎ、キュア時間９０秒とした。なお、ガラスエポキシ基板を封止した樹脂層の厚みは４５０μｍである。続いて、パッケージを１７５℃で５時間加熱し、加熱後のパッケージについて、温度可変レーザー３次元装置（ティーテック社製）を用いて観察し、パッケージの反り量を測定した。得られた結果を表１に示した。

これらの試験結果より、本発明のグリコールウリル化合物を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物は、いずれもガラス転移温度が高く、反りの抑制効果に優れていることが認められる。

Claims (4)

1. 化学式（Ｉ）で示されるグリコールウリル化合物、硬化剤および無機質充填剤を含有することを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
   

   

   （式中、Ｒ^１およびＲ^２は、同一または異なって、水素原子、低級アルキル基またはフェニル基を表し、Ｒ^３、Ｒ^４およびＲ^５は、同一または異なって、水素原子またはグリシジル基を表す。但し、Ｒ ^３ 、Ｒ ^４ およびＲ ^５ が同時に水素原子である場合を除く。）
2. 化学式（Ｉ）で示されるグリコールウリル化合物を除くエポキシ化合物またはエポキシ樹脂を含有することを特徴とする請求項１に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
3. ボールグリッドアレイ用封止材料であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
4. 請求項１または請求項２記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて、半導体素子を封止したことを特徴とする半導体装置。